JP6200716B2 - 積層構造体および積層ユニット - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層した積層構造体および該積層構造体を備えた積層ユニットに関する。

従来、半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層することによって構成される電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この電力変換装置は、半導体モジュールと冷却管の積層方向の端部に、積層方向に沿った押圧力を発生するばね部材と、このばね部材と積層構造との間に設けられ、積層方向に均一な押圧力を発生させるための当接プレートとを備える。このような構成を有する電力変換装置によれば、ばね部材の押圧力によって隣接する半導体モジュールと冷却管が密着するため、半導体モジュールを十分に冷却することができる。

特開２００７−１６６８２０号公報

しかしながら、上述した従来技術では、ばね部材と当接プレートが必要なことに加えて、ばね部材を電力変換装置の筐体に固定する固定ピンを設ける必要があるため、部品点数が増えて装置が大型化してしまうとともに、組み付けが難しいという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体モジュールの冷却性能を維持しつつ、小型化に好適であるとともに組み付けも容易な積層構造体および積層ユニットを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る積層構造体は、半導体モジュールと、該半導体モジュールに積層されて該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層し、積層方向に沿って前記半導体モジュールの両面に前記冷却管が配置される積層構造体であって、前記冷却管は、前記半導体モジュールとの接触部分が平板状をなす外装体と、前記外装体が囲む内部空間を前記積層方向に沿って二つの領域に分割する仕切り板と、前記二つの領域にそれぞれ設けられて前記積層方向の荷重を有する二つのばね部材と、を備え、前記ばね部材は、前記外装体に当接するまたは接合される平板状のベース部と、各々が前記ベース部から立ち上がって前記ベース部の同じ主面側に延在し、先端が前記仕切り板に接触して荷重を発生する複数の延在部と、を有することを特徴とする。

本発明に係る積層構造体は、上記発明において、前記冷却管は、幅方向の両端部に形成され、前記ばね部材における荷重の発生に伴って変形したフランジ部を有することを特徴とする。

本発明に係る積層構造体は、上記発明において、前記ばね部材は、前記複数の延在部が前記ベース部に対して立ち上がる方向が互いに揃っていることを特徴とする。

本発明に係る積層構造体は、上記発明において、前記ばね部材は、前記複数の延在部の一部が前記ベース部に対して立ち上がる方向が他の延在部と異なることを特徴とする。

本発明に係る積層構造体は、上記発明において、前記二つのばね部材がそれぞれ有する延在部は、前記積層方向に沿って互いに他のばね部材の延在部と異なる位置で各ベース部から立ち上がっていることを特徴とする。

本発明に係る積層構造体は、上記発明において、前記ばね部材は、前記冷却管の中央部に位置する前記延在部の前記ベース部に対する高さが他の部分に位置する前記延在部の前記ベース部に対する高さよりも高いことを特徴とする。

本発明に係る積層ユニットは、上記発明に記載の積層構造体と、前記積層構造体を収容する筐体と、前記積層構造体を前記筐体に対して固定する固定部材と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、半導体モジュールの冷却性能を維持しつつ、小型化に好適であるとともに組み付けも容易な積層構造体および積層ユニットを提供することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る積層構造体の要部の構成を示す正面図である。 図２は、本発明の一実施の形態に係る積層構造体の要部の構成を示す斜視図である。 図３は、本発明の一実施の形態に係る積層構造体が備える冷却管の構成を示す斜視図である。 図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。 図５は、図４の部分拡大図である。 図６は、図３のＢ−Ｂ線断面図である。 図７は、本発明の一実施の形態に係る積層構造体が備えるばね部材の構成を示す斜視図である。 図８は、ばね部材に荷重が発生する前後のばね部材の形状変化の概要を示す図である。 図９は、ばね部材に荷重が発生する前後のフランジ部の形状変化の概要を示す図である。 図１０は、本発明の一実施の形態に係る積層ユニットの構成を示す部分断面図である。 図１１は、本発明の一実施の形態の変形例１に係る積層構造体が備えるばね部材の構成を示す斜視図である。 図１２は、本発明の一実施の形態の変形例２に係る積層構造体が備えるばね部材の要部の構成を示す図である。 図１３は、本発明の一実施の形態の変形例３に係る積層構造体が備えるばね部材の要部の構成を示す平面図である。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）を説明する。なお、図面は模式的なものであって、各部分の厚みと幅との関係、それぞれの部分の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合もあることに留意すべきであり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる場合がある。

図１は、本発明の一実施の形態に係る積層構造体の要部の構成を示す正面図である。図２は、本実施の形態に係る積層構造体の要部の構成を示す斜視図である。これらの図に示す積層構造体１は、電気自動車およびハイブリッド自動車等に設けられ、バッテリの直流電力を交流電力に変換して交流モータに供給するインバータを備えたＰＣＵ（Power Control Unit）の一部を構成する。

積層構造体１は、略直方体状をなす半導体モジュール２と、半導体モジュール２を冷却する冷却用媒体を流通し、半導体モジュール２に密着して積層される冷却管３と、を各々定められた数ずつ備える。積層構造体１では、積層方向に沿って隣り合う冷却管３の間に二つの半導体モジュール２が積層方向と直交する方向に並列に配置されている。図１に示す積層構造体１は、２つの半導体モジュール２を並列配置した層が９層あり、合計１８個の半導体モジュール２が設けられるとともに、冷却管３が１０個設けられている。なお、積層構造体１における半導体モジュール２と冷却管３の個数はあくまでも一例に過ぎない。また、一つの層で並列配置される半導体モジュール２の個数も一例に過ぎない。

積層方向に沿って隣り合う冷却管３の長手方向の両端部同士は、円筒状をなす連結部材４によって連結されており、この連結部材４を介して隣り合う冷却管３の内部同士が連通している。

積層方向の一方の端部（図１の下端部）に位置する冷却管３の長手方向の一端部（図１の左端部）には、外部から冷却用媒体を流入する流入管５が連結している。また、積層方向の一方の端部（図１の下端部）に位置する冷却管３の長手方向の他端部（図１の右端部）には、外部に対して冷却用媒体を流出する流出管６が連結している。

積層方向の他方の端部（図１の上端部）に位置する冷却管３の積層方向端部側には、有底の円筒状をなす蓋部材７が設けられている。

半導体モジュール２は、例えばＩＧＢＴ（Insulated-Gate Bipolar Transistor）およびＦＷＤ（Free Wheeling Diode）の２種類のシリコンチップを並列に配置し、その両面に、導電スペーサを介してヒートスプレッダが設けられた構成を有している。

図３は、冷却管３の構成を示す斜視図である。図４は、図３のＡ−Ａ線断面図であり、一部を省略した図である。図５は、図４の部分拡大図である。図６は、図３のＢ−Ｂ線断面図である。以下、図３〜図６を参照して、冷却管３の構成を詳細に説明する。

冷却管３は、略長円形の主面を有し扁平な形状をなす外装体３１と、外装体３１に囲まれた内部空間を外装体３１の主面と平行な方向に貫通して該内部空間を二つの領域に分割する仕切り板３２と、仕切り板３２によって分割される二つの領域にそれぞれ設けられ、積層方向の荷重を発生する２つのばね部材３３と、を有する。

外装体３１は、互いに平行な２つの平板を有し、各平板の表面で積層方向に隣り合う半導体モジュール２と密着する平板部３１１と、平板部３１１の短手方向（幅方向）の両端部に形成される２つのフランジ部３１２と、平板部３１１の長手方向の両端部に設けられ、連結部材４を介して他の冷却管３と内部空間同士を連通するための開口部３１３が平板部３１１の表面にそれぞれ形成された２つの連通部３１４と、を有する。開口部３１３には、円筒状の連結部材４がロウ付け等によって接合されている。また、開口部３１３と連結部材４との接合部にはダイヤフラム部が設けられており、積層方向に隣り合う冷却管３との間隔を変化させることが可能である。外装体３１は、良好な熱伝導性を有するアルミニウム等の金属によって構成されている。

仕切り板３２は、二つのばね部材３３と異なる表面で接触している。仕切り板３２は、例えばＳＵＳ等の剛性の高い金属によって構成されている。仕切り板３２はＳＵＳ以外の材料でも、強度的に問題がない材料であれば適用可能である。このような材料として、例えば熱伝導率が比較的低い材料を適用すれば、冷却管３を介して隣接する２つの半導体モジュール２の間の熱の行き来を抑制することができるのでより好ましい。

図７は、ばね部材３３の構成を示す斜視図である。ばね部材３３は、平板状をなすベース部３３１と、ベース部３３１の縦横に沿って格子状に配置され、ベース部３３１から互いにほぼ同じに揃った方向へ立ち上がって帯状に延びる複数の延在部３３２と、を有する。図７に示す場合、１列に１０個の延在部３３２が形成されたものが３列並べられているが、この行と列の数は一例に過ぎない。

ベース部３３１は、外装体３１の裏面に当接し、接触圧によって固定されている。なお、ベース部３３１を外装体３１の裏面に対してロウ付け等によって接合してもよい。

延在部３３２は、該延在部３３２がベース部３３１に対して延びる側をベース部３３１の上方とするとき、ベース部３３１の表面に対して下に凸な曲面をなす基端部３３２ａと、ベース部３３１の表面に対して上に凸な曲面をなす先端部３３２ｂとを有する。先端部３３２ｂの先端における曲面の接線は、ベース部３３１と略平行である。延在部３３２の先端部３３２ｂは、仕切り板３２に接触している。

ばね部材３３は、りん青銅、ばね鋼、銅、ステンレス、ニッケル、ニッケル合金などの導電性材料を用いて形成される。ばね部材３３を製造する際には、例えばプレス成形のみで製造することができる。また、ばね部材３３を製造する際には、１枚の平板をエッチング加工して延在部３３２の部分の形取りを行った後、この形取った延在部３３２の部分にプレス成形等の塑性加工を施すことによって延在部３３２をベース部３３１に対して立ち上がらせてもよい。

冷却管３において、二つのばね部材３３は、仕切り板３２の中心を通過しかつ仕切り板３２の表面と平行な平面に対して鏡像対称な位置関係にあるが、これは一例に過ぎない。例えば、二つのばね部材３３を、仕切り板３２の中心に対して１８０度回転対称な位置関係となるように配置することも可能である。なお、鏡像対称性や１８０度回転対称性については、厳密に対称である場合のみならず、二つのばね部材３３の一方を鏡像変換または１８０度回転したときに他方のばね部材３３におおむね一致するような場合も含むものとする。

また、延在部３３２の立ち上がる方向がベース部３３１の長手方向に沿った方向でなくてもよい。例えば、ベース部３３１の短手方向に沿った方向に延在部３３２が立ち上がるようにしてもよいし、ベース部３３１の主面を投影面とする平面視で長手方向および短手方向と平行ではない方向に延在部３３２が立ち上がるようにしてもよい。

冷却管３の内部を流通する冷却用媒体は、例えば水、エチレングリコール系の不凍液を混入した水またはアンモニア等の自然冷媒、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノールまたはアルコール等のアルコール系冷媒、およびアセトン等のケトン系冷媒のいずれかである。

以上の構成を有する積層構造体１を形成する際には、複数の半導体モジュール２と複数の冷却管３を所定の規則にしたがって積層した後、積層した部分に外力を加えてばね部材３３に荷重を発生させる。図８および図９は、この荷重が発生する前後における冷却管３の形状変化の概要を示す図である。具体的には、図８は、ばね部材３３の形状変化の概要を示す図であり、図９は、フランジ部３１２の形状変化の概要を示す図である。積層部分に外力が加わると、図８に示すように、ばね部材３３の延在部３３２がたわんで荷重を発生する。これにより、冷却管３の積層方向の厚さが小さくなる。このとき、フランジ部３１２は、冷却管３の積層方向の厚さの減少に追従して、図９に示すように弾塑性変形を生じる。

ばね部材３３に荷重を発生させるための手段として、例えば帯状をなす金属製の束縛部材を用いることができる。この束縛部材を適用する場合、半導体モジュール２と冷却管３とを積層した後、積層した部分の一部に束縛部材を周回させ、所定の治具を用いてその束縛部材の両端部を接合することによって積層部分に所望の外力を加え、ばね部材３３に荷重を発生させる。この際、冷却管３の長手方向の両端部にはダイヤフラム部が設けられているため、積層部分における冷却管３の厚さが小さくなるのに追従して、長手方向の両端部の厚さも薄くなる。なお、束縛部材は積層構造体１が完成した後に取り除いても構わない。

図１０は、以上の構成を有する積層構造体１を備えた積層ユニットの構成を示す部分断面図である。同図に示す積層ユニット１００は、積層構造体１と、積層構造体１を収容する筐体１１と、積層構造体１に当接して積層構造体１を筐体１１に対して固定する固定部材１２とを備える。図１０に示す積層構造体１では、ばね部材３３に荷重を発生させる手段として、上述した金属製の束縛部材に相当する束縛部材８を採用した場合を示している。

積層構造体１では、冷却管３内部のばね部材３３による荷重によって半導体モジュール２と冷却管３とが密着した状態になっているため、積層ユニット１００を組み立てる際には、筐体１１に積層構造体１を取り付けた後、固定部材１２によって積層構造体１を筐体１１に固定するだけでよい。したがって、積層ユニット１００には、例えば板ばねと、板ばねを固定する固定ピンとを有し、板ばねおよび固定ピンを収容するためのスペースを設けることにより、積層構造体１を押圧して半導体モジュール２と冷却管３を密着させるような従来の構成は不要である。

以上の構成を有する積層ユニット１００は、半導体モジュール２に制御信号を送信する制御基板等とともにＰＣＵを構成する。

以上説明した本発明の一実施の形態によれば、冷却管３の内部にばね部材３３を設け、ばね部材３３に所望の荷重を発生させることで半導体モジュール２と冷却管３とを密着させているため、従来のように積層部分を押圧するための機構として、押圧用のばねを用いたり、筐体に押圧用の突起を設けたりすることなく、半導体モジュール２の冷却性能を向上させることができる。したがって、半導体モジュールの冷却性能を維持しつつ、小型化に好適であるとともに組み付けも容易な積層構造体および積層ユニットを提供することができる。

また、本実施の形態によれば、冷却管３の幅方向の両端部に形成され、ばね部材３３における荷重の発生に伴って変形したフランジ部３１２を有するため、半導体モジュール２と冷却管３の密着性を高めるために外力を加えた時、冷却管３の幅方向の端部も含めて冷却管３の厚さを略一様に薄くすることができる。

ここまで、本発明を実施するための形態を説明してきたが、本発明は上述した一実施の形態によってのみ限定されるべきものではない。

図１１は、本実施の形態の変形例１に係る積層構造体が備えるばね部材の構成を示す斜視図である。同図に示すばね部材３４は、ベース部３４１と、長手方向に沿って並べて配置され、同じ向きに立ち上がる第１延在部３４２と、長手方向に沿って並べて配置され、立ち上がる方向が第１延在部３４２と異なる第２延在部３４３とを有する。第１延在部３４２と第２延在部３４３は、ベース部３４１の短手方向に沿って交互に並べて配置されている。第１延在部３４２は、上述した延在部３３２と同様、基端部３４２ａと、先端部３４２ｂとを有する。また、第２延在部３４３は、第１延在部３４２と同じ形状をなし、基端部３４３ａと、先端部３４３ｂとを有する。

本変形例１において、２枚のばね部材３４を配置する際、仕切り板３２の中心を通過しかつ仕切り板３２の表面と平行な平面に対して鏡像対称となるように配置してもよいし、仕切り板３２の中心に対して１８０度回転対称となるように配置してもよい。なお、本変形例１においても、鏡像対称性や１８０度回転対称性は、厳密に対称である場合のみならず、二つのばね部材３３の一方を鏡像変換または１８０度回転したときに他方のばね部材３３におおむね一致するような場合も含むものとする。

図１２は、本実施の形態の変形例２に係る積層構造体が備えるばね部材の要部の構成を示す図である。同図に示すばね部材３５は、ベース部３５１と、延在部３５２とを有する。延在部３５２は、該延在部３５２がベース部３５１に対して延びる側をベース部３５１の上方とするとき、ベース部３５１の表面に対して下に凸な曲面をなす基端部３５２ａと、ベース部３５１の表面に対して上に凸な曲面をなす先端部３５２ｂとを有する。

先端部３５２ｂは、上に凸な曲面であってベース部３５１と平行な接線を有する部分からさらに延びている。このため、先端部３５２ｂは、仕切り板３２と略線接触することとなる。このような構成を有するばね部材３５は、冷却管３の内部で冷却用媒体が流通する際の抵抗を増加させたい場合に好適である。

図１３は、本実施の形態の変形例３に係る積層構造体が備えるばね部材の要部の構成を示す平面図である。ばね部材における延在部の別な配設態様を示す図であり、ばね部材のベース部と直交する方向から見た平面図である。同図に示すばね部材３６は、ベース部３６１と、ベース部３６１から延びる複数の延在部３６２とを有する。延在部３６２は、ベース部３６１上で千鳥配置されている。なお、延在部３６２の形状は、上述したばね部材３３の延在部３３２と同様である。

なお、本発明において、冷却管が備える二つのばね部材がそれぞれ有する延在部は、半導体モジュールと冷却管の積層方向に沿って互いに他のばね部材の延在部と異なる位置で各ベース部から立ち上がるようにしてもよい。この場合には、仕切り板３２に加わる面圧をより均一化することができる。

また、本発明において、ばね部材が、冷却管の中央部に位置する延在部のベース部に対する高さが他の部分に位置する延在部のベース部に対する高さよりも高い構成を有していてもよい。この構成は、冷却管の中央部に積層方向の押圧力が多く加わって冷却管の積層方向の厚さを一様に保つのが困難な場合に特に有効である。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲に記載された技術的思想を逸脱しない範囲内において設計変更を行うことが可能である。

１ 積層構造体
２ 半導体モジュール
３ 冷却管
４ 連結部材
５ 流入管
６ 流出管
７ 蓋部材
８ 束縛部材
１１ 筐体
１２ 固定部材
３１ 外装体
３２ 仕切り板
３３、３４、３５、３６ ばね部材
１００ 積層ユニット
３１１ 平板部
３１２ フランジ部
３１３ 開口部
３１４ 連通部
３３１、３４１、３５１、３６１ ベース部
３３２、３５２、３６２ 延在部
３３２ａ、３４２ａ、３４３ａ、３５２ａ 基端部
３３２ｂ、３４２ｂ、３４３ｂ、３５２ｂ 先端部
３４２ 第１延在部
３４３ 第２延在部

Claims (7)

1. 半導体モジュールと、該半導体モジュールに積層されて該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層し、積層方向に沿って前記半導体モジュールの両面に前記冷却管が配置される積層構造体であって、
   前記冷却管は、
   前記半導体モジュールとの接触部分が平板状をなす平板部を有する外装体と、
   前記外装体が囲む内部空間を前記積層方向に沿って二つの領域に分割する仕切り板と、
   前記二つの領域にそれぞれ設けられて前記積層方向の荷重を有する二つのばね部材と、
   を備え、
   前記ばね部材は、
   前記平板部に当接するまたは接合される平板状のベース部と、
   各々が前記ベース部から立ち上がって前記ベース部の同じ主面側に延在し、先端が前記仕切り板に接触して荷重を発生する複数の延在部と、
   を有することを特徴とする積層構造体。
2. 半導体モジュールと、該半導体モジュールに積層されて該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層し、積層方向に沿って前記半導体モジュールの両面に前記冷却管が配置される積層構造体であって、
   前記冷却管は、
   前記半導体モジュールとの接触部分が平板状をなす外装体と、
   前記外装体が囲む内部空間を前記積層方向に沿って二つの領域に分割する仕切り板と、
   前記二つの領域にそれぞれ設けられて前記積層方向の荷重を有する二つのばね部材と、
   を備え、
   前記ばね部材は、
   前記外装体に当接するまたは接合される平板状のベース部と、
   各々が前記ベース部から立ち上がって前記ベース部の同じ主面側に延在し、先端が前記仕切り板に接触して荷重を発生する複数の延在部と、
   を有し、
   前記冷却管の中央部に位置する前記延在部の前記ベース部に対する高さが他の部分に位置する前記延在部の前記ベース部に対する高さよりも高いことを特徴とする積層構造体。
3. 前記冷却管は、
   幅方向の両端部に形成され、前記ばね部材における荷重の発生に伴って変形したフランジ部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の積層構造体。
4. 前記ばね部材は、
   前記複数の延在部が前記ベース部に対して立ち上がる方向が互いに揃っていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層構造体。
5. 前記ばね部材は、
   前記複数の延在部の一部が前記ベース部に対して立ち上がる方向が他の延在部と異なることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層構造体。
6. 前記二つのばね部材がそれぞれ有する延在部は、
   前記積層方向に沿って互いに他のばね部材の延在部と異なる位置で各ベース部から立ち上がっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層構造体。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の積層構造体と、
   前記積層構造体を収容する筐体と、
   前記積層構造体を前記筐体に対して固定する固定部材と、
   を備えたことを特徴とする積層ユニット。

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